Ждем Ваших вопросов и предложений Междисциплинарная информационно-консультационная система по современным направлениям акустики
 
Акустика океана
 

Авторы: д.ф.-м.н. Ирина Борисовна Андреева,
академик Леонид Максимович Бреховских.

Все чаще и чаще человечество связывает свое будущее с океаном. Объем исследований Мирового океана непрерывно растет, ученые разных стран объединяют свои усилия в этих исследованиях. Глубины океана изучают специалисты различных областей науки - биологи, химики, гидродинамики и... акустики.

Почему акустики? Потому что звуковые волны могут распространяться в толще океана на тысячи километров и представляют собой эффективное средство зондирования океана.

Большой объем исследований по акустике океана был выполнен группой советских ученых, работавших под руководством одного из авторов статьи (Л. М. Бреховских). Работы велись как в натурных условиях в открытом океане на научно-исследовательских судах, так и за столами теоретиков в научно-исследовательских институтах. Результаты этой многолетней работы нашли отражение в коллективной монографии "Акустика океана", вышедшей в 1974 г. под редакцией Л. М. Бреховских. Ее авторам (Л. М. Бреховских, Н. С. Агеева, И. Б. Андреева, В. И. Воловов, Ю. Ю. Житковский, Ю. П. Лысанов, А. В. Фурдуев, С. Д. Чупров, Р. Ф. Швачко) в 1976 г. была присуждена Государственная премия.

Прежде чем обратиться к акустике океана, посмотрим, что представляет собой океан.

Средняя глубина океана вдали от берега - 4-5 км; средняя горизонтальная протяженность - многие тысячи километров. Ширина вдоль экватора Атлантического и Индийского океанов около 6,5 тыс. км, Тихого - около 16 тыс. км, меридиональные размеры океанов еще больше. Площадь водной акватории Мирового океана занимает большую часть поверхности нашей планеты (около 70%). Толщина же этого водного слоя ничтожна, она меньше одной тысячной радиуса Земли. По соотношению глубин и горизонтальных размеров океаны подобны (если отвлечься от кривизны Земли) луже воды на асфальте, глубина которой около полусантиметра, а диаметр более 10 м.

Сверху океан граничит с атмосферой, снизу - с геологическими породами, слагающими дно: ил, песок, скалы. Обе границы отражают падающие на них из воды звуковые волны, причем верхняя граница - с коэффициентом отражения, близким к 1. Коэффициент отражения от дна значительно меньше; он зависит от геологического строения и нередко оказывается менее 0,3-0,2. Это значит, что интенсивность (мощность) отраженной от дна звуковой волны соответственно в 10-25 раз меньше интенсивности звуковой волны, падающей на дно. Остальная часть энергии проникает в толщу дна и быстро поглощается там. Это исключает возможность распространения звука на большие расстояния при многократных отражениях от границ (рис. 1).

На большие расстояния звуковая энергия распространяется только вдоль пологих лучей, которые на всем пути не касаются дна океана. В этом случае ограничением, накладываемым средой на дальность распространения звука, является поглощение его в морской воде. Основной механизм поглощения связан с релаксационными процессами, сопровождающими нарушение акустической волной термодинамического равновесия между ионами и молекулами растворенных в воде солей. Интересно отметить, что главная роль в поглощении в широком диапазоне звуковых частот принадлежит серномагниевой соли MgSO4, хотя в процентном отношении ее содержание в морской воде совсем невелико - почти в 10 раз меньше, чем, например, каменной соли NаС1, которая тем не менее не играет сколько-нибудь заметной роли в поглощении звука.

Поглощение в морской воде, вообще говоря, тем больше, чем выше частота звука. На частотах от 3-5 до по крайней мере 100 кГц, где доминирует указанный выше механизм, поглощение пропорционально частоте в степени примерно 3/2. На более низких частотах включается новый механизм поглощения (возможно, он связан с наличием в воде солей бора), который становится особенно заметным в диапазоне сотен герц; здесь уровень поглощения аномально высок и существенно медленнее падает с уменьшением частоты.

Чтобы более наглядно представить себе количественные характеристики поглощения в морской воде, заметим, что за счет этого эффекта звук с частотой 100 Гц ослабляется в 10 раз на пути в 10 тыс. км, а с частотой 10 кГц - на расстоянии только в 10 км (рис. 2). Таким образом, только низкочастотные звуковые волны могут быть использованы для дальней подводной связи, для дальнего обнаружения подводных препятствий и т.п.

Если вернуться к рис. 1 и вспомнить, насколько относительно тонким является водный слой нашей планеты, то может показаться вообще непонятным, как звуковая энергия распространяется на тысячи километров: даже при самом малом, в 2-3°, наклоне лучей, их падение на дно кажется неизбежным. На самом же деле, есть обстоятельства, которые делают условия распространения звука в реальном океане более благоприятными. Эти обстоятельства связаны с искривлением звуковых лучей в вертикальной плоскости, с их рефракцией. Остановимся на этой важнейшей для акустики особенности океана более подробно.

Голландский математик В. Снеллиус еще 300 лет назад показал, как изменяется направление волн при переходе через границу двух сред с разными значениями c1 и c2 скорости распространения: sinq1/sinq2 = c1/c2 (рис. 3, а, в нижней среде скорость меньше); это известный со школьных времен закон преломления волн, или закон Снеллиуса. Нетрудно обобщить его и на случай среды, где скорость звука изменяется плавно (рис. 3, б): в такой среде волна также поворачивает плавно. И при скачкообразном и при плавном изменении скорости волны всегда "стремятся" повернуть в том направлении, в котором уменьшается скорость их распространения.

Скорость звука в океане в среднем близка к 1500 м/с, и ее величина определяется совокупным действием температуры воды, ее солености и статического давления, т.е. веса вышележащих слоев воды. Чем больше температура, этот вес и соленость, тем быстрее бегут звуковые волны. Все три параметра, а, следовательно, и скорость звука, изменяются с глубиной значительно быстрее, чем в горизонтальном направлении; это позволяет приближенно описывать океан как горизонтально-слоистую среду, где скорость звука существенно зависит от глубины, но на каждом горизонте остается неизменной в пределах больших акваторий. Каждый район океана может быть характеризован зависимостью скорости звука от глубины z, или, как принято говорить, профилем скорости звука с(z). Изменения солености по глубине оказывают незначительное влияние на профиль с(z), и мы не будем их здесь рассматривать.

Начнем с температуры. Почти повсевместно, кроме полярных морей, покрытых льдом, глубинные воды заметно холоднее поверхностных. У поверхности термометры показывают в тропиках круглый год 22-26°С; летом в умеренных широтах 15-18°С, в полярных морях 8-10°С; зимой температура у поверхности везде, кроме тропиков, опускается на 8-10°С. А вот в глубинах океана температура всегда почти неизменна, практически не зависит от широты и близка к 1-2°С.

Переход от теплых приповерхностных вод к холодным глубинным происходит отнюдь не равномерно по глубине (рис. 4, а). Вблизи поверхности лежит слой, перемешиваемый волнением (перемешанный слой), его толщина меньше 100 м, а температура в нем почти одинакова. Глубже быстро, почти скачком, температура падает на 5-10°С. Еще глубже температурные градиенты уменьшаются, и хотя по мере дальнейшего погружения температура воды продолжает еще падать, но падает медленно. На некоторой глубине температурные градиенты исчезают, и далее до самого дна температура воды остается практически постоянной.

Таким образом, по мере погружения в глубины океана на величину скорости звука действуют два противоборствующих фактора: понижение температуры ведет к уменьшению скорости звука, а увеличение статического давления - к ее росту. Фактически дело обстоит так, что в верхней части океана доминирует температурный эффект и скорость звука падает; на некоторой глубине температурный градиент становится столь малым, что доминирующая роль переходит к статическому давлению и скорость звука начинает вновь возрастать и растет уже до самого дна. Глубина, на которой скорость звука минимальна, существенно зависит от широты и времени года: в тропиках она составляет 1-1,5 км, а в полярных морях даже летом не превышает 100-150 м.

Типичный для тропической зоны глубокого океана профиль с(z) приведен на рис. 4, б. Характерно наличие минимума кривой с(z) на глубинах более 1000 м. В слое воды на глубинах около 100-150 м (в данном примере) происходит наиболее резкое изменение с(z). Такой слой обычно называют верхним термоклином. Заметим, что здесь резко изменяется и плотность воды (за счет изменения температуры). В тропиках, в глубоком океане величины скорости звука у дна и поверхности мало различаются, они велики и могут достигать 1540-1545 м/с. В умеренных широтах скорость звука у поверхности колеблется примерно от 1505 до 1520 м/с; в полярных морях она еще ниже. Минимальное значение скорости на профиле с(z) редко опускается ниже 1480 м/с.

В согласии с законом Снеллиуса звуковые волны заворачивают сверху и снизу в сторону горизонта z0 соответствующего минимуму скорости звука. На рис. 4, в, схематически изображены некоторые лучи, т.е. траектории распространения звуковой энергии, источник которой находится на горизонте z0. Все лучи вьются вокруг этого горизонта, что приводит к концентрации энергии на глубинах, где скорость звука минимальна. Такое распространение является волноводным, а образовавшийся в глубинах океана волновод называют подводным звуковым каналом (ПЗК). Горизонт z0, соответствующий величине cmin, называют осью канала.

Условия распространения звука в ПЗК на дальние расстояния весьма благоприятны энергетически. Звуковые волны не претерпевают отражений от дна и поверхности и, следовательно, не несут связанных с этим энергетических потерь; несмотря на отсутствие отражений, звуковой поток удерживается в пределах канала за счет рефракции, и плотность его уменьшается с расстоянием значительно медленнее, чем в однородной среде.

Акустические волны низких частот, слабо затухающие в морской воде, могут распространяться в подводном канале на многие тысячи километров. Это явление, названное сверхдальним распространением звука, было открыто в Советском Союзе в 1946 г. одним из авторов статьи (Л. М. Бреховских) и Л. Д. Розенбергом. Впоследствии оказалось, что в США этот эффект был обнаружен несколько ранее, но работы в обеих странах были засекречены. В последующие десятилетия это направление акустики океана успешно развивалось советскими и зарубежными учеными.

Не менее интересно происходит распространение звука и в тех случаях, когда источник звуковых волн смещен от оси канала и находится, как, например, на рис. 5, выше оси. Это область, где скорость звука падает с увеличением глубины и все звуковые волны, выйдя из источника, поворачивают в глубины океана. Уже через несколько километров в поверхностных слоях образуется так называемая зона тени, куда не проникают звуковые лучи. Однако, когда звуковые волны пересекают ось канала, они попадают в область, где скорость звука растет с глубиной. В соответствии с законом Снеллиуса знак кривизны их траекторий изменится, лучи вновь начнут поворачивать к горизонту z0, но теперь это означает поворот уже вверх, в сторону поверхности. На расстоянии 50-70 км звуковые волны выйдут в верхние слои океана, чтобы снова повернуть вниз и повторить весь цикл сначала (рис. 5, a, лучевая картина).

Зоны выхода звуковых волн к поверхности называются зонами конвергенции, а участки между ними, как уже сказано, - зонами звуковой тени. По мере удаления от источника зоны конвергенции расширяются, расплываются, а зоны тени становятся уже и менее глубокими. На расстояниях 500-800 км зональная структура обычно исчезает, размазывается, и звуковые волны снова заполняют практически всю толщу океана, как и в случае источника на оси канала.

Характерная для приведенной лучевой картины зависимость уровня Р звукового сигнала в канале от расстояния R приведена на рис. 5, б (красная кривая). График относится к глубине источника и приемника 500 м, частота звука 0,5 кГц (длина волны 3 м). Затухание звука в воде на этой частоте не велико, и оно, конечно, учтено в расчете. В зонах конвергенции уровень Р заметно повышается и оказывается сильно изрезанным. Это отражает как сложную структуру зоны конвергенции, так и эффекты интерференции волн, пришедших по разным траекториям. На этом же графике нанесены два пунктира. Один, в начале кривой, соответствует закону 1/R2- закону ослабления звука в однородной среде. Второй, 1/R,- среднему ослаблению уровня Р в волноводе.

Вообще говоря, название "зона тени" условно. Действительно, звуковые лучи, распространяющиеся в канале, в зону тени не попадают. Однако в эти области звук может прийти после отражения от дна, а также (хотя и в меньшей степени) за счет дифракции звуковых волн на случайных неоднородностях среды. Он будет ослаблен, но все же заметен (особенно в первых зонах тени) и воспринят приемником. На рис. 5 эти лучи не изображены, а соответствующие им вклады в уровень сигнала не учтены.

Изложенная трактовка лучевого распространения звуковых волн базируется на представлении, что на длине волны звука изменения параметров среды, в частности скорости с, малы. Во многих случаях такое упрощение оказывается вполне допустимым. Однако длины волн низкочастотного звука (десятки и единицы Гц) велики по отношению даже к основным деталям профиля с(z). Задача распространения звука в этом случае решается волновыми методами. На рис. 5, б приведен график Р(R), рассчитанный для того же волновода, но при очень низкой частоте звука 10 Гц, т.е. при длине волны 150 м (синяя кривая). Для низкой частоты характерно более быстрое "смазывание" зон тени и конвергенции. Изрезанность кривой характеризует вариации уровня звукового поля в пространстве, связанные с интерференцией. Эта картина соответствует также волноводному распространению звука, причем акустическим волноводом в этих условиях служит вся толща океана.

Все описанные картины существенно идеализированы, в них не отражена изменчивость во времени и пространстве океанической среды. Эта изменчивость вызывается многими факторами. Мы уже упоминали, что температура поверхностных слоев воды зависит от географической широты и времени года. Кроме того, в океанах изменяются погодные условия, есть теплые и холодные течения, приливы и отливы, морское волнение и другие виды движения водных масс. Дно океана не гладкое и ровное, оно имеет сложнейший рельеф с хребтами, равнинами и глубокими каньонами; его поверхность испещрена мелкими неровностями и шероховатостями. К этому следует добавить, что в большом числе практически важных случаев акустические излучатели или приемники (или и те и другие) находятся на плавающих морских судах, подверженных качке, ветровому сносу и т.д.
 
СТО ЛЕТ НАЗАД

ПЕТЕРБУРГ. Морская вода, как оказывается, содержит в себе большое количество серебра, надо уметь только добыть его оттуда. Об этом узнали лишь в последнее время, при химическом разложении так называемого желтого металла - рода латуни, состоящей из меди, олова, цинка, свинца и железа; употребляют желтый металл для обшивки судов. Серебро из морской воды осаждается на металлические листы, извлекая из них соответствующее количество меди, так что тут совершается простой обмен. Какую же важность имеет это открытие? Голландия, например, употребляет ежегодно до 300 т желтого металла на обшивку судов. Обшивка эта держится лет шесть и в это время извлекает из морской воды до 90 кг серебра. Если прибавить к этому флот Англии, Франции и США, то масса серебра, осаждающаяся на обшивке судов, достигнет в 6 лет до 9 т. Высчитано, что океаны содержат в себе по меньшей мере 2 миллиона тонн серебра.

"Нива", 1881, № 35
 

Изменчивость среды в пространстве и времени имеет очень широкие масштабы - от 1 см до тысяч километров и от долей секунды до многих суток. Описать ее воздействие на звуковые подводные поля чрезвычайно трудно. Крупномасштабные пространственные изменения чаще рассматривают как постепенное изменение условий распространения звука вдоль трассы. Временные крупномасштабные, т.е. медленные изменения условий в океане приводят к медленным вариациям параметров звукового поля вдали от источника. Мелкомасштабные изменения, как правило, можно описывать как случайные стационарные процессы и в этих рамках искать их воздействие на акустические волны. Это широкий круг явлений в акустике океана, которые связаны с дифракцией, рассеянием звуковых волн на случайных неоднородностях толщи воды и на неровностях дна и поверхности. Прежде чем говорить о воздействии неоднородности и изменчивости среды на акустические поля, остановимся несколько подробнее на этих особенностях среды.

На рис. 6 приведена карта генерального рельефа дна Атлантического океана и широтный разрез рельефа дна. (Карта составлена Б. Хейзеном (Heezen) в 1968 г.) Появление таких карт океанского дна около 10 лет назад полностью обязано использованию акустики в океанологии: только широкое распространение акустических эхолотов в годы после второй мировой войны позволило получить материал, необходимый для картирования дна. Еще в первых десятилетиях нашего века глубины океана измерялись проволочным лотом - грузом, опускаемым с борта корабля на тросе, и наши сведения о рельефе дна были ничтожны. За несколько последних десятилетий эхолоты открыли целый подводный мир. Оказалось, что на дне открытой части всех океанов существуют системы горных цепей - срединноокеанические хребты, подобные хребту на рис. 6. Они возвышаются на несколько километров над средним уровнем дна, и их вершины иногда выходят на поверхность воды (например, Азорские острова в Атлантике). Особенности строения и развития срединноокеанических хребтов заставили пересмотреть геологическую историю Земли.

Склоны срединноокеанических хребтов, постепенно понижаясь, переходят в зоны холмов, за которыми лежат глубоководные равнины. Средняя глубина равнин, как уже говорилось, составляет 4-5 км. По другую сторону к равнинам подступает материковое подножие, переходящее в мелководный береговой шельф. Если трасса распространения звука составляет сотни и тысячи километров (такая дальность не является исключительной), то глубины дна вдоль нее могут быть существенно разными, а форма звуковых лучей заметно более сложной, чем это показано на идеализированных рис. 4 и рис. 5. В частности, если звуковая трасса пересекается подводной горной цепью, то сила звука сильно ослабляется - горы оказывают затеняющее действие.

Существенно различны и условия рассеяния звуковых волн в разных геоморфологических зонах дна. Эти различия связаны с особенностями строения дна в разных зонах. Дно глубоководных равнин покрыто слоем мелкодисперсных осадков толщиной до 1-2 км (в верхней части илы, ниже плотные породы). Это является результатом осадконакопления, длившегося десятки миллионов, а иногда и более лет. Условия выпадания и характер осадков менялись в геологическом прошлом, и осадочный чехол не однороден по толщине, в нем можно проследить большое число чередующихся тонких слоев с разными свойствами (плотностью, цветом, химическим составом и пр.). Поверхность равнин только относительно ровная, на них есть пологие низкие холмы и долины длиной до сотен метров со склонами, наклон которых обычно меньше 2-3°. Кроме того, на поверхности глубоководных равнин почти всегда отчетливо видны мелкие неровности (микрорельеф), созданные деятельностью придонных животных. Пример такого микрорельефа дает рис. 7; стереофотосъемка показала, что крутизна склонов отдельных бугров ("домиков"?) диаметром в десятки сантиметров может достигать 30-50°.

Рельеф дна в зонах хребтов совершенно иной. Его верхний слой образован вулканическими породами, лавами, которые только частично, во впадинах (карманах) покрыты осадками (рис. 8). Изрезанность рельефа здесь максимальна. Даже средний наклон дна на протяжении нескольких сотен метров может достигать десятков градусов, не говоря о формах микрорельефа, где выступы часто даже нависают над впадинами.

Изменчивость и случайные неоднородности в толще воды - флуктуации ее температуры и плотности - связаны с динамикой водных масс. Не так давно существовала уверенность, что основные движения воды в океане - это течения, приливы и морское волнение. Теперь стало ясно, что картина гораздо более сложная.

Несколько лет назад во время научной экспедиции в тропической Атлантике, возглавляемой одним из авторов (Л. М. Бреховских), были открыты синоптические вихри в океане. Это произошло в 1970 г. в ходе эксперимента "Полигон-70", выполнявшегося на обширной акватории площадью 74 тыс. км2 (рис. 9, сторона каждого квадрата около 270 км). На полигоне была раскинута сеть из 17 буйковых станций (кружки на рис. 9), похожая в плане на крестообразную антенну. На каждом буйке на десяти горизонтах были установлены приборы, фиксировавшие течения и температуру воды. Приборы работали в течение полугода и дали материал, коренным образом изменивший наши представления о морских течениях. Оказалось, что течений, которые всегда рисовали на картах в виде широких рек, в действительности не существует. Основная кинетическая энергия океанских вод (около 90% по предварительным оценкам) сосредоточена в громадных, диаметром до 300-500 км, водных вихрях, подобных циклонам и антициклонам в атмосфере. На рис. 9 изображены так называемые линии тока, очерчивающие форму синоптических вихрей на глубине 300 м. Эти линии по своему смыслу подобны изобарам атмосферного давления на картах погоды. Буквы "В" и "Н" соответствуют высокому и низкому давлению. Приведенные картины вихрей разделены интервалами времени примерно в один месяц и свидетельствуют об изменчивости ситуации. Глубина вихрей достигает 2-3 км, скорость движения воды (стрелки на рис. 9) на периферии вихря может доходить до нескольких десятков метров в минуту. Вихри медленно перемещаются со скоростью до 4-6 м/мин, и если усреднить их движение за много месяцев, то только тогда мы получим нечто вроде известных всем океанических течений. Эксперимент, проведенный через несколько лет американскими океанологами в другой части океана, подтвердил правильность этих представлений. Механизм зарождения и развития синоптических вихрей изучался в совместном советско - американском эксперименте "ПОЛИМОДЕ".

Вторым, малоизвестным неспециалистам, видом движения морской воды являются внутренние волны. Хотя они открыты в океане уже давно, на рубеже XIX и XX вв. (экспедиция Нансена на "Фраме" и работа Экмана, объяснившего наблюдения мореплавателей), их активное изучение началось только после второй мировой войны. Внутренние волны возникают в слоях воды с относительно высоким вертикальным градиентом плотности, если внешнее возмущение выведет этот слой из состояния равновесия. Внешними возмущениями могут быть, например, приливно - отливные движения воды в зоне прибрежного подъема дна или подводных гор. Внутренние волны могут иметь весьма широкий спектр. Их верхняя частота зависит от вертикальных градиентов плотности и период этих колебаний практически не бывает короче 5-6 мин. Нижняя частота, называемая инерционной, определяется скоростью вращения Земли и географической широтой; соответствующий период равен 12-13 ч в полярных водах, на широте 30° он равен 24 ч и практически неограничен вблизи экватора. Длина короткопериодных (минуты) волн соответствует десяткам и сотням метров, а длиннопериодных (часы) - десяткам километров. Высоты длиннопериодных волн в глубинах моря, особенно в слое термоклина, составляют десятки метров, а иногда достигают и 100 м. Движутся внутренние волны очень медленно, гораздо медленнее, чем волны на поверхности, но распространяются они на большие расстояния от места возникновения. На рис. 10 приведен пример записи короткопериодных внутренних волн.

Внутренние волны иногда достигают поверхности, но это не сопровождается подъемом воды - препятствуют силы гравитации. Однако рисунок гребней на поверхности отчетливо виден в тихую погоду. Дело в том, что движение частиц воды во внутренней волне в областях гребней и впадин происходит в противоположных направлениях (так же, впрочем, как и в поверхностных волнах, см. ниже). Из-за этого оказываются различными условия воздействия ветра на поверхность, т.е. условия возникновения мелкой ряби. Если вода на поверхности движется навстречу ветру, то рябь более интенсивна, чем при совпадении этих направлений. В результате на поверхности часто можно видеть чередование полос гладкой воды и воды, покрытой рябью. Зрительно это воспринимается как чередование светлых и темных полос (рис. 11). Это явление видели многие, кто любовался спокойным морем с высокого берега или с палубы корабля. До недавнего времени оно не имело своего объяснения.

Однако внутренние волны не только оживляют морской пейзаж, встреча с ними под водой может оказаться роковой: есть предположение, что трагическая гибель в 1963 г. американской подводной лодки "Трешер" была вызвана внутренней волной. Внутренние волны (особенно короткопериодные) могут оказать заметное влияние и на распространение подводного звука. Они искажают горизонтальную слоистость вод океана, формирующую подводный звуковой канал. В присутствии внутренних волн изотермы и изопикны (поверхности равной температуры и плотности) из горизонтальных плоскостей превращаются в волнистые поверхности с заметными наклонами. Кстати, водолазы, часто визуально отмечающие границу верхнего термоклина по изменению коэффициента преломления света, в присутствии внутренних волн фиксировали и волнообразные колебания этой границы.

Теперь о поверхностных волнах, о собственно морском волнении. Пожалуй, в море нет другого явления, которое так широко известно. От древних мореплавателей и философов до художников и поэтов современности, от старого деда, всю жизнь проведшего на берегу, до юного мальчика, впервые вступившего на морскую гальку, нет никого, кто оставался бы равнодушным к могучей и переменчивой красоте морских волн (рис. 12, рис. 13).

И тем не менее до сегодняшнего дня, несмотря на усилия многих ученых во всем мире, еще нет надежного способа количественно описать движение реальной морской поверхности. Ничтожно мало (меньше десяти) и число натурных опытов, где был бы зафиксирован с достаточной подробностью рельеф морской поверхности на площади протяженностью хотя бы в несколько сотен метров. Всем, кто соприкасается с этими вопросами, известны технические трудности таких экспериментов и сложности создания теории, учитывающей все многообразие геофизических факторов, влияющих на форму и движение морской поверхности.

Морское волнение является случайным процессом в том смысле, что каждая его реализация в деталях практически неповторима. Однако существуют некоторые общие закономерности волнения, и его связь с гидрометеоусловиями может быть описана статистическими методами. Как всякий случайный процесс, он может быть представлен как суперпозиция бесконечно большого числа гармонических составляющих со случайными амплитудами и фазами. Для описания волнения обычно используют энергетический спектр этих составляющих. Форма спектра типичного ветрового волнения изображена на рис. 14. Основная энергия волн сосредоточена в максимуме на частотах в доли герца, это примерно соответствует волнам, отмечаемым глазом человека на поверхности моря. Уровень и положение этого максимума на шкале частот зависят от скорости ветра: он тем выше и тем больше сдвинут в сторону низких частот, чем сильнее ветер. Волнение инерционно, и при любом изменении ветра лишь через некоторое время устанавливается динамическое равновесие между энергией, передаваемой от ветра к волнам, и затуханием энергии волн из-за их разрушения, внутреннего трения и передачи кинетической энергии в глубинные слои воды.

Интересно отметить, что частицы воды при волнении движутся совсем не так, как сама поверхность. Они не качаются, как щепка, плавающая на поверхности, и не бегут вместе с гребнями волн. Каждая частица воды вблизи взволнованной поверхности движется по замкнутой вертикальной орбите, имеющей форму, близкую к окружности, с радиусом, равным полувысоте волны (рис. 15). Центр орбиты находится на горизонте, соответствующем положению равновесия в отсутствии волн. Амплитуда волнового движения и соответственно радиусы орбит частиц воды убывают с глубиной экспоненциально и тем быстрее, чем короче волна. На глубине, равной половине длины волны, амплитуда волнового движения убывает примерно в 23 раза, а на глубине, равной длине волны на поверхности, - более чем в 500 раз.

Совокупное действие всех перечисленных выше динамических водных процессов- синоптические вихри, течения, внутренние и поверхностные волны - порождает в толще вод турбулентное движение, флуктуации температуры и плотности. Величины вариаций характеристик воды невелики, но достаточны, чтобы оказать заметное влияние на скорость звука. Обусловленные этими вариациями пространственные и временные флуктуации скорости звука имеют случайный характер и особенно интенсивны в верхних слоях, включая перемешанный слой и слой верхнего термоклина.

Совсем недавно было обнаружено, что в океане существуют ярко выраженные неоднородности, сильно вытянутые в горизонтальном направлении. Эти образования имеют толщину в единицы и десятки метров и простирание в несколько километров по горизонтали. В сущности, океан представляет собой тонко прослоенный пирог. Современные чувствительные зонды, позволяющие детально изучить зависимость температуры, солености и скорости течения от глубины, показывают, что эти характеристики практически постоянны в пределах слоев и изменяются почти скачком при пересечении их границ. Соответствующую изрезанность приобретает и профиль скорости звука с(z). На рис. 16 показана часть профиля с(z) вблизи слоя верхнего термоклина и в области оси подводного звукового канала. На глубинах 200-500 м видна четкая "ступенчатая" структура профиля с(z): восемь слоев толщиной по 15-20 м с малыми перепадами скорости звука (0,1-0,3 м/с) перемежаются тонкими прослойками толщиной 3-5 м с перепадами скорости до 2 м/с. Вблизи оси канала (глубины 600-900 м) кривая с(z) сильно изрезана, размах ее нерегулярностей превышает 1 м/с. Такая картина очень устойчива во времени и сохраняется практически неизменной в течение многих часов.

Естественно, что случайные нерегулярности скорости звука в толще воды и волнение ее поверхности оказывают значительное влияние на условия распространения звука в воде. Когда акустическая волна проходит через случайно неоднородную толщу океанских вод или отражается от взволнованной поверхности океана, часть звуковой энергии рассеивается в других направлениях.

Величина и фаза рассеянного поля в каждый момент времени зависят от той случайной комбинации неоднородностей и неровностей поверхности, которая встретилась на пути пробега звука от источника. Эти комбинации непрерывно изменяются как за счет беспорядочного движения самих неровностей и неоднородностей, так и из-за движения среды в целом относительно излучателя и приемника (качка и дрейф судов, течения и пр.).

При смене этих комбинаций (смене реализации среды) фаза и величина рассеянного звукового поля изменяются случайным образом, флуктуируют. При достаточно большом числе неоднородностей на пути распространения звука средние свойства рассеянного поля могут быть описаны статистическими методами. Одной из главных характеристик является интенсивность рассеяния, определяющая долю энергии первичной волны, рассеянную по другим направлениям. Вторая характеристика - среднее распределение рассеянной энергии по направлениям, или индикатриса рассеяния. Третья характеристика - частотный и пространственный спектры рассеянного поля.

Особенности рассеяния звука в океане на случайных неоднородностях скорости звука, порожденных турбулентностью, и на неровностях поверхности таковы, что основной вклад в рассеянное поле вносят неоднородности и неровности с размерами много больше длины акустической волны. При этом почти вся рассеянная энергия распространяется вперед, вдоль направления движения первичной волны - индикатриса рассеяния всегда имеет в этом направлении максимум. Удаленный приемник регистрирует как дошедший до него первичный сигнал, несущий определенную информацию, так и рассеянное поле, пришедшее почти по тому же направлению. В принятом сигнале появятся случайные флуктуации, которые могут существенно затруднить расшифровку передаваемой информации. В конечном счете это приведет либо к уменьшению реальной дальности действия акустической системы, либо к замедлению передачи сообщений. С другой стороны, анализируя флуктуации сигнала, прошедшего по подводной трассе, можно получить сведения о состоянии среды вдоль этой трассы.

Если излучатель и приемник находятся вблизи оси подводного звукового канала и распространение звука происходит без отражений от поверхности (см. рис. 4), то случайные вариации скорости звука - на турбулентных неоднородностях - основная причина рассеяния энергии передаваемых по каналу сигналов. В этом случае глубина флуктуаций в точке приема, как правило, невелика и сигнал мало отличается по виду от излученного. Частота флуктуаций зависит от скорости смены реализации. Случайные турбулентные неоднородности в толще вод океана изменяются или смещаются весьма медленно (в акустике их принято называть даже "замороженными"). Поэтому смена реализации почти всегда определяется скоростью течений и движения судов. Если эти скорости известны, то частота флуктуаций позволит оценить размеры рассеивающих неоднородностей. Этот метод изучения температурных неоднородностей неоднократно применялся в океанологии.

Если источник звука находится вблизи поверхности, далеко от оси подводного звукового канала, то основная часть звуковой энергии переносится вдоль лучей, отражающихся от поверхности (см. рис. 5). Термин "отражение" здесь может быть использован только весьма условно. На самом деле переизлучение звука морской поверхностью - процесс значительно более сложный, и в нем большую роль играет рассеяние звука волнами. Наиболее сильно рассеивают звук длинноволновые компоненты, соответствующие максимуму спектра волнения. Как правило, рассеянное поле отбрасывается в основном по направлению зеркального отражения от средней, т.е. горизонтальной, плоскости. В подавляющем большинстве океанических ситуаций рассеяние на поверхности сильнее объемного и, если звук отражается от поверхности, то этот процесс и определяет доминирующую часть рассеянного поля в удаленной точке приема.

При слабом волнении и частотах звука в сотни герц глубина флуктуаций амплитуды сигнала после его "отражения" от поверхности не очень велика (20-30%), а спектр этих флуктуаций довольно точно повторяет спектр волнения вблизи его главного максимума. При усилении волнения (или при увеличении частоты звука до 3-5 кГц) глубина флуктуации амплитуды возрастает и достигает некоторого максимально возможного значения, характерного для случайных процессов; спектр флуктуаций становится значительно шире спектра волнения. На соответствии спектров волн и вызванных волнением флуктуаций амплитуды переизлученного звука базируются различные методы дистанционного измерения характеристик морского волнения. В частности, это спутниковые методы измерения параметров волнения, а следовательно, и породившего его ветра. Только в этом случае вместо акустических волн для зондирования поверхности используются радиоволны.

Мы уже говорили, что если вдоль трассы распространения звука, вблизи поверхности, образуются зоны тени, то понятие "тень" здесь условно - сюда приходят звуковые волны, отраженные от дна океана. Остановимся более подробно на том, что представляют собой сигналы, "отраженные" дном. На дне есть неровности, которые имеют случайные размеры и расположены в пространстве также случайно. Акустические антенны, установленные на судах, движутся относительно дна за счет качки, дрейфа или хода судов. Из-за этого озвученная площадь дна ("звуковое пятно") непрерывно смещается и, следовательно, непрерывно изменяются фазовые соотношения между сигналами, переизлученными отдельными неровностями. В результате рассеяние звука неровностями дна, несмотря на их неподвижность, оказывается процессом, подобным рассеянию звука поверхностью. Рассеянный сигнал беспорядочно флуктуирует, и уровень его тем больше, чем более неровным является дно.

Характер переизлученных дном сигналов существенно зависит от строения дна. Наиболее сильное рассеянное поле создается в гористых районах, в частности в зонах срединноокеанических хребтов. Глубина флуктуаций "отраженных" дном сигналов (частоты сотни и выше герц) близка к возможному максимуму (~52%). Из-за сложности рельефа звук рассеивается почти по всем направлениям, а не только вблизи направления зеркального отражения. В результате точки приема достигает лишь небольшая часть рассеянной дном энергии и ослабление звука при "отражении" от дна в зоне хребтов очень велико.

В равнинных районах дна океана отражение звука значительно ближе собственно к отражению. Рассеиваемая энергия сосредоточивается в узком максимуме индикатрисы вокруг зеркального направления, и поэтому уровень отраженных сигналов заметно выше, чем в гористых районах, хотя разница в типе грунта (ил на равнинах и скалы в горах) должна была бы привести к противоположному эффекту. Однако различие рельефа а, следовательно, и особенностей рассеяния оказывается доминирующим.

Спектр флуктуаций переизлученных дном сигналов зависит от скорости движения звукового пятна относительно дна, т.е. от скорости несущего акустические системы судна. При обычных скоростях судов эффективная частота флуктуаций не превышает нескольких герц при частоте сигналов в единицы кГц. Эффективная частота флуктуаций над хребтами выше, чем над глубоководными равнинами.

Эффективный период флуктуаций, возникающих при отражении звука от дна и поверхности океана и при рассеянии его в толще воды на характерных для турбулентности пространственных вариациях скорости звука, варьируется в пределах от долей секунды до нескольких секунд. Однако в океане существуют и другие факторы, порождающие значительно более низкочастотные флуктуации распространяющихся под водой сигналов. В первую очередь к ним относятся внутренние волны. За последние десять лет в западной части Центральной Атлантики, в районах Флоридского пролива, Багамских и Бермудских островов учеными США были выполнены весьма интересные опыты. Большая часть работ проводилась с акустическими антеннами, закрепленными неподвижно на склонах дна; расстояния между корреспондирующими пунктами (длины трасс) варьировались от десятков до почти полутора тысяч километров. Работы выполнялись на частотах в сотни герц, а продолжительность непрерывных наблюдений составляла недели, месяцы, а в некоторых опытах была больше года.

В результате обработки полученных записей были выявлены сильные вариации амплитуды и фазы акустических сигналов с самыми разными периодами. Во-первых, были обнаружены флуктуации амплитуды и фазы сигнала с периодами от десятков минут до часов, типичными для короткопериодных внутренних волн. Во-вторых, во многих случаях четко выявлялись примерно полусуточные и суточные периоды, соответствующие приливно-отливным движениям водных масс. На мелководных трассах основной механизм воздействия приливов на условия распространения звука связан с изменением толщины водного слоя и соответствующих этому вариаций структуры лучевой картины. В глубоком океане основная роль принадлежит внутренним волнам, порождаемым приливами вблизи материковых склонов. Следует добавить, что влияние внутренних волн не ограничивается вариациями амплитуды и фазы сигналов, изменяется и направление их распространения. Были зарегистрированы изменения горизонтального направления звуковых сигналов, достигавшие иногда 1-2°; периоды этих флуктуаций также соответствовали периодам внутренних волн и в разных условиях варьировались от нескольких минут до нескольких часов.

Если на трассе звуковых сигналов встречаются синоптические вихри, то особенности их гидрологического строения (в первую очередь вертикального распределения температуры, которое определяет профиль скорости звука) также влияют на условия распространения звуковых волн. Отмечены связанные с вихрями смещения зон конвергенции и зон тени на 8-10 км и вариации уровня интенсивности звука в 5-10 раз. С другой стороны, имеются интересные идеи, как организовать акустическое "просвечивание" больших зон в океане, которое позволит обнаружить наличие таких вихрей и изучить их структуру.

Объем статьи, естественно, позволил охватить только малую долю вопросов и направлений, изучаемых в акустике океана. "За бортом" остались все акустико-биологические проблемы - от рассеяния звука мелкими обитателями морей и океанов до сложнейших механизмов использования акустических волн такими высокоразвитыми животными, как дельфины. Вопросы собственных шумов моря - гидродинамических, подледных, сейсмических, биологических и т.д. - также остались за рамками статьи. Можно было бы назвать буквально десятки ситуаций, когда акустические волны эффективно используются для изучения океана: уже упоминавшееся картирование дна, поиск и учет рыбных запасов, разведка полезных ископаемых в толще дна океана и т.д. Все эти и многие другие проблемы изучаются молодой, быстро развивающейся наукой - акустикой океана.